Abstrak —  Sistem  kelistrikan  Sumatera  Utara  yang  dipasok dengan  menggunakan  sistem  Transmisi  150  kV  dan  275  kV merupakan  sistem  transmisi  dengan  pusat  beban  terbesar  di Sumatera.  Dalam  upaya  memenuhi  kebutuhan  listrik,  sesuai dengan  RUPTL,  Sistem  Transmisi  Sumatera  Utara  akan mengoperasikan  PLTA  Batang  Toru  dengan  kapasitas  4  x  125 MW pada tahun 2020. Karena potensi sumber energi yang cukup besar  di  Sumatera  Utara  adalah  tenaga  air  dan  panas  bumi. Dengan  penambahan  PLTA  Batang  Toru  4  x  125  MW,  perlu dilakukan studi kestabilan transien untuk mengetahui kestabilan sistem  saat  terjadi  gangguan  transien.  Dari  hasil  simulasi menunjukkan  bahwa  case  lepasnya  generator,  lepasnya  satu saluran  dan  saluran  ganda  tidak  menyebabkan  sistem  keluar dari  batas  stabil.  Karena  ketika  generator  lepas,  daya  supply yang  hilang  hanya  5-8%  dari  total  pembangkitan.  Begitu  juga dengan  kasus single  pole  auto  reclosing dengan  waktu Circuit Breaker kembali  tertutup  sebesar  500  ms  setelah  gangguan    , hasil  respon  sudut  rotor,  frekuensi  dan  tegangan  menunjukkan sistem  masih  stabil.  Pada  penentuan  waktu  pemutusan  kritis (CCT),  nilai  CCT  pada  sistem  2018  dapat  ditemukan  pada  120 ms – 140  ms (batas rekomendasi CCT sistem  besar). Sedangkan pada  sistem  2020  tetap  dalam  keadaan  stabil  ketika  terjadi gangguan  hubung  singkat  3  fasa  .  Sehingga  penentuan  CCT ( Critical  Clearing  Time )  melebihi  dari  batas  rekomendasi  nilai CCT untuk sistem besar.
Kata  Kunci —  kestabilan  transien,  generator  lepas,  saluran lepas, single pole auto reclosing , critical clearing time .

## I. PENDAHULUAN
Sistem  tenaga  listrik  yang  baik  adalah  sistem  tenaga  listrik yang  mampu  melayani  beban  secara  kontinyu,  tegangan  dan frekuensi yang konstan, fluktuasi tegangan dan frekuensi yang terjadi  harus  berada  pada  batas  toleransi  yang  diizinkan.  Hal ini agar peralatan listrik konsumen dapat bekerja dengan baik dan  aman.  Karena  perubahan  beban  yang  bervariasi  akan berdampak pada kestabilan sistem. Perubahan yang signifikan dapat  menyebabkan  sistem  keluar  dari  batas  stabil.  Oleh karena  itu  perubahan  beban  harus  diikuti  perubahan  daya penggerak  generator.  Hal  ini  dimaksudkan  agar  terjadi keseimbangan  antara  daya  beban  dan  daya  suplai.  Sehingga frekuensi  dan  tegangan  sistem  tetap  terjaga  pada  posisi normal.
Untuk  memperjelas  bahasan  pada  tugas  akhir  ini  perlu adanya  pembatasan  masalah.  Adapun  batasan  tersebut
meliputi : 1. Analisa  kestabilan  Transient  di  Sumatera  Utara  dilakukan dengan  memperhatikan  sudut  rotor  generator,  frekuensi dan tegangan pada bus
2. Gangguan yang dianalisa adalah efek transien dikarenakan generator  lepas,  1  line  trip,  2  line  trip, auto  single  pole reclosing,  dan  critical  clearing  time dengan  masing  – masing gangguan diambil 1 case dari setiap tahunnya. 3. Software bantu yang digunakan adalah ETAP 12.6.

## II. KESTABILAN SISTEM TENAGA

## A. Kestabilan Sistem Tenaga
Kestabilan  sistem  tenaga  listrik  secara  luas  dapat didefinisikan  sebagai  kemampuan  dari  satu  sistem  tenaga listrik  untuk  tetap  berada  dalam  kondisi  seimbang  dalam operasi  normal  dan  dapat  memperoleh  kembali  kondisi seimbang setelah sistem mengalami gangguan.
Berdasarkan  Paper  IEEE definition  and  classification  of power  system  stability ,  kestabilan  sistem  tenaga  listrik  dibagi menjadi tiga kategori yaitu [4]:
1. Kestabilan sudut rotor [2]
Kestabilan  sudut  rotor  adalah  kemampuan  dari  beberapa mesin sinkron yang saling terinterkoneksi pada suatu sistem tenaga untuk mempertahankan kondisi sinkron.
2. Kestabilan frekuensi [4]
Kestabilan  ini  berkaitan  dengan  kemampuan  dari  sistem untuk mempertahankan kestabilan frekuensi akibat gangguan
pada sistem yang mengakibatkan ketidakseimbangan antara pembangkitan dan beban. 3. Kestabilan tegangan [4]
Kestabilan  tegangan  dapat  diartikan  sebagai  kemampuan dari sistem tenaga  listrik  untuk  mempertahankan kestabilan nilai tegangannnya di semua bus pada sistem dalam kondisi operasi normal maupun setelah terjadi gangguan.

## B. Stabilitas Transien
Kestabilan  Transien  adalah  kemampuan  dari  suatu  sistem tenaga untuk mempertahankan sinkronisasi setelah mengalami gangguan  besar  yang  bersifat  mendadak  dalam  waktu  satu

## Analisa Stabilitas Transien Pada Sistem Transmisi Sumatera Utara 150 kV – 275 kV Dengan Penambahan PLTA Batang Toru 4 X 125 MW
Danar Tri Kumara, Prof. Ir Ontoseno Penangsang M.Sc,Ph.D, dan Ir. NI Ketut Aryani, MT Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknilogi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)
Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia
e-mail : ontosenop@ee.its.ac.id , ketut.aryani@gmail.com , dtk_kumara@yahoo.co.id .
swing  yang  pertama.  Dengan  asumsi  pengatur  tegangan otomatis (AVR) dan Governor belum bekerja.

## C. Dinamika Rotor dan Persamaan Ayunan
Persamaan  yang  mengatur  gerakan  rotor  suatu  mesin serempak  didasarkan  pada  prinsip  dasar  dinamika  yang menyatakan  bahwa  momen  putar  percepatan  ( accellerating torque )  adalah  hasil  kali  dari  momen-momen  kelembaman ( moment  of  inertia )  rotor  dan  percepatan  sudutnya.  Dalam sistem  unit-unit MKS dan  untuk  generator  serempak, persamaan ini dapat ditulis dalam bentuk [3]:
(1)
Simbol-simbol pada persamaan 2.15 mempunyai arti sebagai berikut:
J =   Momen kelembaman total dari massa rotor dalam kg- m 2 θ m =   Pergeseran sudut dari rotor terhadap suatu sumbu yang diam    ( stationary ), dalam radian mekanis
t =   Waktu, dalam detik
T a =   Momen putar percepatan bersih, dalam Nm T m = Momen putar mekanis atau poros (penggerak) yang diberikan oleh penggerak mula dikurangi dengan momen putar perlambatan ( retarding ) yang disebabkan oleh rugi- rugi perputaran, dalam Nm T e =  Momen putar elektris atau elektromagnetis bersih, dalam Nm
Faktor yang mempengaruhi stabilitas transien [2]
1. Seberapa besar generator tersebut dibebani
2. Output  generator  selama  gangguan.  Ini  tergantung  dari lokasi gangguan dan type gangguan.
3. Waktu pemutusan gangguan.
4. Reaktansi sistem transmisi setelah gangguan.
5. Reaktansi generator. Reaktansi yang rendah meningkatkan daya puncak.
6. Inersia  generator.  Inersia  yang  besar,  menyebabkan perubahan  sudut  lambat.  Ini  menurunkan  energi  kinetik yang diperoleh saat gangguan.

## III. SISTEM KELISTRIKAN TRANSMISI SUMATERA

## UTARA DAN ALUR PENGERJAAN
Sistem  kelistrikan  di  Sumatera  Utara  dipasok  dengan menggunakan  sistem  transmisi  150  kV,dan  275  kV.  Namun secara umum sistem transmisi yang digunakan adalah 150 kV. Saluran  antar  bus  menggunakan  sistem double  circuit (  2 saluran  )  dan  single  circuit.  Untuk  saluran yang menghubungkan bus dengan kapasitas pembangkit yang besar menggunakan  sistem  double  circuit  dengan  tujuan  menjaga kontinyuitas  penyaluran  daya  listrik  ketika  salah  satu bermasalah (terjadi gangguan). Maka daya listrik masih dapat disalurkan meskipun tidak 100% dari kondisi awal.
Sistem  kelistrikan  Sumatera  Utara  terdiri  atas  72  bus dengan  104  saluran  dan  26  pembangkit  untuk  tahun  2018  ( sebelum  masuknya  PLTA  Batang  Toru  4  x  125  MW).  Untuk tahun  2020  (  saat  masuknya  PLTA  Batang  Toru)  terdiri  atas
74  bus  dengan  108  saluran  dan  33  pembangkit.  Kondisi tersebut  merupakan  kondisi peak (  beban  puncak  ).  Untuk kondisi light (  beban  dasar  )  tentunya  memliki  nominal  yang lebih  kecil  untuk  pembangkit  yang  dioperasikan.  (akan diperjelas  di  tabel  data  Pembangkit).  Adapun  pembangkit PLTGU  Belawan  dan  PLTU  Pangkalan  Susu  bertindak sebagai  swing,  dan  pembangkit  –  pembangkit  lainnya bertindak sebagai voltage control .
Gambar 1. Flowchart alur pengerjaan

## IV. SIMULASI DAN ANALISIS
Setelah  melakukan  pemodelan  Single  Line  diagram  di ETAP  12.6,  selanjutnya  akan  dilakukan  simulasi  stabilitas transien  yang  meliputi  lepasnya  Generator,  lepasnya  single line dari double line, lepasnya double line, gangguan satu fasa dan  lepasnya  single  line  dari  double  line  dengan  kembalinya recloser,  dan  gangguan  hubung  singkat  untuk  menentukan nilai Critical  Clearing  Time  (CCT) .Untuk  lebih  jelasnya, kasus yang akan dianalisa adalah seagai berikut :
1. No-Fault  Tripping  of  The  Largest  On-Line  Generating Unit
Pada  kasus  ini,  dilakukan  pemadaman  pada  generator terbesar  pada  saat  terhubung  pada  sistem  Sumatera  Utara. Generator  dengan  kapasitas  terbesar  akan  off  sedangkan generator pembangkit lain aktif.
2. No-Fault  One-Circuit  Tripping  of  the  Double-Circuit Interconnection Transmission Line
Pada  kasus  ini  satu  saluran  dari  saluran  ganda  yang memiliki aliran daya terbesar lepas (kehilangan transfer daya) tanpa gangguan.
3. No-Fault  Double-Circuit  Tripping  of  Interconnection Transmission Line
Pada  kasus  ini  saluran  ganda  yang  memiliki  aliran  daya terbesar lepas (kehilangan transfer daya) tanpa gangguan. 4. Single Pole Auto Reclosing
Pada kasus ini terjadi hubung singkat 1 fasa ke tanah di bus. Kemudian  diikuti  oleh  lepasnya  satu  saluran  ( one  circuit )dari saluran ganda. setelah itu satu saluran yang lepas kembali lagi ke saluran ganda.
5. Critical Clearing Time (CCT)
Pada  kasus  ini  terjadi  hubung  singkat  3  fasa  di  bus kemudian dicari waktu pemutusan kritisnya dengan  membuka nya CB pada saluran bus tersebut

## A. Sinulasi Kasus 1
Pada kasus ini, PLTA  Asahan 3-1  yang  memiliki kapasitas 174  MW  dan  dioperasikan  sebesar  140  MW  sebagai  voltage control  akan  trip.  Daya  keseluruhan  kapasitas  pembangkit adalah  3122,5  MW  dan  kebutuhan  beban  sebesar  2402,57 MW.  Hasil  simulasi  ketika  PLTA  Asahan  3-1  trip  sebagai berikut :
Gambar 2 Respon sudut Rotor Generator ketika PLTA Asahan 3-1 (2018 – peak load) trip
Pada  tahun  2018 peak  load ,PLTA  Asahan  beroperasi paling  besar  dari  pada  generator  lainnya.  Dengan  hilangnya PLTA Asahan 3-1 maka sistem kehilangan sebesar 5,8% daya supply dari  sistem  2018  beban  puncak.  Namun  Sudut  Rotor pada beberapa generator yang ditampilkan masih berada pada batas  stabil.  Pada  gambar  di  atas  (Generator  Sumut  a-1), osilasi  sudut  rotor  hanya  sampai  6  derajat  dan  steady  state pada  5  derajat.  Selama  masih  bisa  kembali  steady  state  di bawah  90 degree maka  masih  dalam  batas  stabil.  Perubahan sudut  rotor  ini  dapat  dipengaruhi  oleh  beberapa  faktor.  Salah satu di antaranya pembebanan generator, inersia, dan damping dari  masing  –  masing  generator.  Geerator  yang  memiliki damping  yang  besar  akan  cenderung  lebih  stabil  jika  terjadi gangguan dan sebaliknya.

## B. Simulasi Kasus 2
Nilai aliran daya terbesar yang mengalir pada saluran transmisi Sumatera Utara 2018 untuk kasus beban dasar berada di saluran 89 yaitu antara bus P. Brandan – bus Pangkalan Susu sebesar 473,05 MW.  Pada simulasi transien ini satu saluran dari saluran ganda lepas tanpa adanya gangguan. Untuk hasil simulasinya sebagai berikut
Gambar 3 Respon frekuensi pada bus ketika saluran 89 lepas (2018 – light load)
Dari  hasil  simulasi  di  atas,  hilangnya  satu  saluran  tidak berdampak  besar  pada  kestabilan  sistem  Transmisi  Sumatera Utara  khususnya  pada  frekuensi  bus.  Ketika  saluran  tunggal lepas,  osilalasi  yang  terjadi  hanya  0,03%.  Setelah  itu  respon frekuensi  dapat  kembali  dengan  cepat  pada  100%.  Kita ketahui  bahwa  batas  stabil  untuk  frekuensi  adalah  100,83% dan  99,17%.  Jadi  sistem  Transmisi  Sumatera  Utara  masih berada  pada  batas  stabil  ketika  terjadi  gangguan  satu  saluran lepas pada saluran ganda.

## C. Simulasi Kasus 3
Nilai  aliran  daya  terbesar  yang  mengalir  pada  saluran transmisi  Sumatera  Utara  2020  untuk  kasus  beban  dasar berada  di  saluran    29  yaitu  antara  bus Sei  Rotan  –  bus  Titi Kuning sebesar 306,9 MW. Pada simulasi transien ini saluran ganda  lepas  tanpa  adanya  gangguan.  Untuk  hasil  simulasinya sebagai berikut.
Gambar 4 Respon tegangan pada bus ketika saluran 29 lepas  (2020 – peak load )
Dari hasil simulasi di atas, hilangnya saluran ganda ( double circuit )  tidak  berdampak  besar  pada  kestabilan  sistem Transmisi  Sumatera  Utara  khususnya  pada  tegangan  di  bus. Ketika  saluran  ganda  lepas,  osilalasi  yang  terjadi  mengalami
kenaikan  hingga  103%  dan  turun  hingga  95%.  Setelah  itu respon  tegangan  steady  state  pada  103%  untuk  bus  PLTGU Belawan  dan  95%  untuk  bus  Sei  Rotan.  Kita  ketahui  bahwa batas stabil untuk tegangan di Sistem Transmisi 150 kVadalah 105%  dan  90%.  Jadi  sistem  Transmisi  Sumatera  Utara  masih berada pada batas stabil ketika terjadi gangguan saluran ganda lepas.

## D. Simulasi Kasus 4
Pada  kasus  ini,  gangguan  yang  disimulasikan  adalah gangguan  satu  fasa  ke  tanah  pada  bus,  kemudian  diikuti lepasnya satu saluran (saluran tunggal) dari saluran ganda
Pada tahun 2020 beban dasar, lokasi gangguan berada pada bus  Sarulla.  Kemudian  saluran  199-1  yang  menghubungkan bus  Sarulla  ke  Batang  Toru  mengalami trip saluran  tunggal pada  detik  200  ms  setelah  gangguan.  300  ms  kemudian saluran  tunggal  akan  terhubung  kembali.  Untuk  hasil simulasinya sebagai berikut.:
Gambar 5 Respon sudut Rotor Generator ketika kasus single pole auto reclosing di bus Sarulla (2020 – light load )
Pada hasil simulasi single pole auto reclosing, semua respon sudut rotor untuk ketiga Generator masih dalam kondisi stabil. Respon  sudut  rotor  pada.  PLTA  Asahan  mengalami  osilasi sampai 90 degree namun bisa kembali lagi hingga steady state pada 70 – 80 degree . Sehingga sistem 2018 beban dasar masih dalam batas stabil saat terjadi gangguan 1 fasa dengan diikuti lepasnya  saluran  tunggal  pada  saluran  ganda  yang menghubungkan  2  bus  hingga  saluran  tunggal  terhubung kembali.

## E. Simulasi Kasus 5
Pada  kasus  ini,  gangguan  yang  disimulasikan  adalah gangguan hubung singkat 3 fasa. Gangguan hubung singkat 3 fasa ini dipilih secara acak, kemudian diikuti dengan lepasnya saluran  tunggal  ( one  circuit )  dari  saluran  ganda.Waktu membukanya CB pada saluran tunggal saat sistem masih stabil hingga sistem tidak stabil disebut critical clearing time . Untuk mendapatkan nilai CCT metode yang dilakukan adalah metode “ trial  and  error ”.  Hasil Critical  Clearing  Time  (CCT) dan Simulasi akan adalah sebagai berikut :
Tabel 1 Nilai CCT pada bus saluran Paya Geli – Batu Gingging Tahun sistem Waktu stabil (mili detik) Waktu tidak stabil (mili detik) 2018 (peak) 126 127 2018 (light) 396 397 2020 (peak) 799 800 2020 (light) 593 594
Gambar 6 Respon sudut rotor di generator  ketika terjadi gangguan 3 fasa di saluran 166 yaitu antara bus Paya Geli dan Batu Gingging saat kondisi tidak stabil pada detik ke 0,127 setelah gangguan (2018 – peak load )
Gambar 7 Respon sudut rotor di generator  ketika terjadi gangguan 3 fasa di saluran 166 yaitu antara bus Paya Geli dan Batu Gingging saat kondisi stabil pada detik ke 0,126 setelah gangguan (2018 – peak load )
Berdasarkan gambar hasil simulasi di atas, dari tahun  2018 peak  hingga  2020  light  perubahan  kondisi  stabil  dan  tidak stabil  pada  sistem  selisih  0,001  detik.  Yang  artinya  hanya berjarak 0,001 detik kondisi yang awalnya tidak stabil erubah menjadi  stabil.  Terlihat  jelas  pada  perubahan  sudut  rotor generator  Paya  Pasir.  Saat  kondis  tidak  stabil,  sudut  rotor mengalami  osilasi  hingga  170  –  180 degree. Setelah  pada kondisi  stabil,  osilasi  tertinggi  sudut  rotor  Generator  Paya Pasir 68 degree. Dan stabil  pada 10 – 30 degree Pada sistem tahun  2018  beban  puncak,  nilai  CCT  berada  dalam range rekomendasi  waktu  pemutusan  kritis  untuk  sistem  transmisi yaitu  120  ms  –  140  ms.  Sedangkan  pada  sisem  tahun  2018 beban  dasar  dan  tahun  2020  waktu  pemutusan  kritsnya melebihi dari range rekomendasi.

## V. KESIMPULAN
Dari  hasil  simulasi  dan  analisis,  maka  dalam  Tugas  Akhir ini dapat ditarik kesimpulan bahwa:
1. Dari kasus Generator lepas dan saluran lepas, sistem masih dalam batas stabil. Karena  saat salah  satu  generator lepas, sistem  Sumatera  Utara  hanya  kehilangan  5-8%  daya supply  pada  sistem.  Meskipun  pada  saat  PLTA  Batang Toru  mengalami  kenaikan  sudut  rotor  yang  hampir mencapai batas kestabilan yaitu 80,3 degree.
2. Dari kasus Single Pole Auto Reclosing, sistem juga  masih dalam  kondisi  stabil  dengan  waktu line  reclosed 500  ms setelah gangguan.
3. Pada sistem 2018 beban puncak maupun beban dasar, nilai Critical  Clearing  Time  yang  didapat  adalah  126  ms  -  127 ms untuk beban puncak, dan 396 ms -397 ms untuk beban dasar. Sedangkan untuk sistem 2020 adalah 799 ms  – 800 ms  untuk  beban  puncak,  dan  593  ms  –  594  ms.  Namun batas  membukanya  CB  dengan  cepat  untuk  sistem transmisi adalah 120 ms – 140 ms. Sehingga untuk sistem 2018  beban  dasar  dan  sisem  tahun  2020  tidak direkomendasikan  untuk  menggunakan  waktu  CCT  sesuai hasil simulasi.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Imam  Robandi,  Margo  Pujiantara,  “ Analisa  Sistem  Tenaga  Modern [Pengantar stabilitas Dinamik]” Proyek PercepatanPendidikan Insinyur th
1996/1997 FTI ITS, 1997.
[2] Kundur,  P.,  “ Power  System  Stability  and  Control” ,  McGraw-Hill,  Inc, 1994.
[3] Stevenson,  W.D.,  Jr  and  John  J.  Grenger,  “ Elements  of  Power  System Analysis, 4th Edition”. McGraw-Hill, Inc, 1994
[4] IEEE/CIGRE  Joint  Task  Force  on  Stability  Terms  and  Definitions, “ Definition  and  Classification  of  Power  System  Stability” IEEE Transactions on Power system , vol. 19, no. 2,  may 2004.